Lax–Sato integrable dispersionless systems on supermanifolds related to a centrally extended generalization of the loop superconformal Lie algebra

Authors

  • O. Hentosh Institute of Applied Problems of Mechanics and Mathematics named after Ya. S. Pidstryhach, NAS of Ukraine, Lviv

DOI:

https://doi.org/10.3842/umzh.v77i9.7950

Keywords:

dispersionless systems, Lax-Sato integrability, superconformal vector fields, semi-direct sum, Adler-Kostant-Symes theory, Casimir invariant

Abstract

UDC 517.9

We propose a new Lie-algebraic approach to the construction of Lax–Sato integrable dispersionless systems on functional supermanifolds by means of the centrally extended semidirect sum of the loop Lie algebra of  superconformal vector fields on a supertorus and its regular dual space, which is based on the general Adler–Kostant–Symes  Lie-algebraic scheme. By using this approach, we obtain the Lax–Sato integrable superanalogs for some systems of Mikhalev–Pavlov-type dispersionless equations  given on functional supermanifolds of four commuting and numerous anticommuting independent variables and find the left gradients of the Casimir invariant reduced to the orbits of the coadjoint action of the central extension, related to these systems, as well as the associated pairs of compatible Poisson operators.

References

1. O. E. Hentosh, Ya. A. Prykarpatsky, D. Blackmore, A. K. Prykarpatski, Lie-algebraic structure of Lax–Sato integrable heavenly equations and the Lagrange-d’Alembert principle, J. Geom. Phys., 120, 208–227 (2017); http://dx.doi.org/10.1016/geomphys.2017.06.003. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geomphys.2017.06.003

2. A. K. Prykarpatski, O. Ye. Hentosh, Ya. A. Prykarpatsky, Geometric structure of the classical Lagrange–d’Alembert principle and its application to integrable nonlinear dynamical systems, Mathematics, 5, № 4, MDPI, Basel, Switzerland (2017); https://doi.org/10.3390/math5040075. DOI: https://doi.org/10.3390/math5040075

3. O. Ye. Hentosh, Ya. A. Prykarpatsky, D. Blackmore, A. K. Prykarpatski, Dispersionless completely integrable heavenly type Hamiltonian flows nd their differential-geometric structure, Symmetry, Integrability and Geometry: Methods and Applications, 15, Article 079 (2019); https://doi.org/10.3842/SIGMA.2019.079. DOI: https://doi.org/10.17352/amp.000006

4. М. М. Притула, Нова цілком інтегровна бездисперсійна динамічна система небесного типу, породжена векторними полями на торі, Нелінійні коливання, 24, № 1, 110–127 (2021); Переклад англійською: J. Math. Sci., 265, № 4, 682–702 (2022); https://doi.org/10.1007/s10958-022-06077-3. DOI: https://doi.org/10.1007/s10958-022-06077-3

5. О. Є. Гентош, Я. А. Прикарпатський, О. А. Балінський, А. К. Прикарпатський, Геометричні структури на орбітах петельних груп дифеоморфізмів та асоційовані інтегровні гамільтонові системи „небесного'' типу. I, Укр. мат. журн., 74, № 8, 1029–1059 (2022); https://doi.org/10.37863/umzh.v74i8.6614; Переклад англійською: Ukr. Math. J., 74, № 8, 1175–1208 (2023); https://doi.org/10.1007/s11253-023-02129-2. DOI: https://doi.org/10.37863/umzh.v74i8.6614

6. J. F. Plebanski, Some solutions of complex Einstein equations, J. Math. Phys., 16, № 12, 2395–2402 (1975); https://doi.org/10.1063/1.522505. DOI: https://doi.org/10.1063/1.522505

7. V. G. Mikhalev, On the Hamiltonian formalism for Korteweg–de Vries type hierarchies, Funct. Anal. and Appl., 26, № 2, 140–142 (1992); https://doi.org/10.1007/BF01075282. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01075282

8. M. P. Pavlov, Integrable hydrodynamic chains, J. Math. Phys., 44, № 9, 4134–4156 (2003); https://doi.org/10.1063/1.1597946. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1597946

9. B. G. Konopelchenko, W. K. Schief, A. Szereszewski, Self-dual Einstein spaces and the general heavenly equation. Eigenfunctions as coordinates, Class. and Quantum Gravity, 8, № 4, Article 045007 (2022); https://doi.org/10.1088/1361-6382/abd145. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/abd145

10. M. Adler, On a trace functional for formal pseudo-differential operators and the symplectic structure of the Korteweg–de Vries type equations, Invent. Math., 50, № 3, 219–248 (1978); https://doi.org/10.1007/BF01410079. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01410079

11. B. Kostant, The solution to a generalized Toda lattice and representation theory, Adv. Math., 34, № 3, 195–338 (1979); https://doi.org/10.1016/0001-8708(79)90057-4. DOI: https://doi.org/10.1016/0001-8708(79)90057-4

12. W. W. Symes, Hamiltonian group actions and integrable systems, Phys. D, 1, № 4, 339–374 (1980); https://doi.org/10.1016/0167-2789(80)90017-2. DOI: https://doi.org/10.1016/0167-2789(80)90017-2

13. M. A. Semenov-Tyan-Shanskii, What is $mathcal R $-matrix?, Funct. Anal. and Appl., 17, № 4, 17–33 (1983); https://doi.org/10.1007/BF01076717. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01076717

14. A. G. Reyman, M. A. Semenov-Tian-Shansky, Integrable systems: theoretical-group approach, The Computer Research Institute Publ., Moscow, Izhevsk (2003) (in Russian).

15. L. D. Faddeev, L. A. Takhtadjan, Hamiltonian methods in the theory of solitons, Classics in Mathematics, Springer-Verlag, Berlin etc. (2007).

16. A. K. Prykarpatsky, I. V. Mykytiuk, Algebraic integrability of nonlinear dynamical systems on manifolds: classical and quantum aspects, Kluwer Acad. Publ., Dordrecht (1998). DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-011-4994-5

17. M. Blaszak, B. M. Szablikowski, Classical $mathcal {R} $-matrix theory for bi-Hamiltonian field systems, J. Phys. A, 42, Article 404002 (2009); https://doi.org/10.1088/1751-8113/42/40/404002. DOI: https://doi.org/10.1088/1751-8113/42/40/404002

18. O. Hentosh, Ya. Prykarpatsky, The Lax–Sato integrable heavenly equations on functional supermanifolds and their Lie-algebraic structure, Eur. J. Math., 6, № 1, 232–247 (2020); https://doi.org/10.1007/s40879-019-00329-4. DOI: https://doi.org/10.1007/s40879-019-00329-4

19. P. P. Kulish, Analog of the Korteweg–de Vries equation for the superconformal algebra, J. Math. Sci., 41, № 2, 970–-975 (1988); https://doi.org/10.1007/BF01247091. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01247091

20. A. O. Radul, Lie algebras of differential operators, their central extensions and $W $-algebras, Funct. Anal. and Appl., 25, № 1, 25–39 (1991); https://doi.org/10.1007/BF01090674. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01090674

21. C.-A. Laberge, P. Mathieu, $N=2 $ superconformal algebra and integrable $O(2) $ fermionic extensions of the Korteweg–de Vries equation, Phys. Lett. B, 215, № 4, 718–722 (1988); https://doi.org/10.1016/0370-2693(88)90048-2. DOI: https://doi.org/10.1016/0370-2693(88)90048-2

22. S. Bellucci, E. Ivanov, S. Krivonos, On $N=3 $ super Korteweg–de Vries equation, J. Math. Phys., 34, № 7, 3087–3097 (1993); https://doi.org/10.1063/1.530064. DOI: https://doi.org/10.1063/1.530064

23. О. Є. Гентош, Узгоджено бігамільтонові суперконформні аналоги інтегровних за Лаксом нелінійних динамічних систем, Укр. мат. журн., 58, № 7, 887–900 (2006); Переклад англійською: Ukr. Math. J., 58, № 7, 1001–1015 (2006); https://doi.org/10.1007/s11253-006-0119-0. DOI: https://doi.org/10.1007/s11253-006-0119-0

24. О. Є. Гентош, Інтегровна за Лаксом ієрархія Лаберже–Матьє суперсиметричних нелінійних динамічних систем та її скінченновимірна редукція типу Неймана, Укр. мат. журн., 61, № 7, 906–921 (2009); Переклад англійською: Ukr. Math. J., 61, № 7, 1075–1092 (2009); https://doi.org/10.1007/s11253-009-0260-7. DOI: https://doi.org/10.1007/s11253-009-0260-7

25. A. K. Prykarpatski, V. M. Dilnyj, P. Ya. Pukach, M. I. Vovk, Symmetric integrable Hamiltonian systems, conformal Lie superalgebras $mathcal K$ $(1,N=1,2,3)$ and their factorized semi-supersymmetric generalizations, Symmetry, 16, № 11, 1441 (2024); https://doi.org/10.3390/sym16111441. DOI: https://doi.org/10.3390/sym16111441

26. V. S. Vladimirov, I. V. Volovich, Superanalysis, Theor. and Math. Phys., 59, № 1, 317–335 (1984); https://doi.org/10.1007/BF01028510. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01028510

27. A. Yu. Krennikov, Functional superanalysis, Russ. Math. Surveys, 43, № 2, 103–138 (1988); https://doi.org/10.1070/RM1988v043n02ABEH001713. DOI: https://doi.org/10.1070/RM1988v043n02ABEH001713

28. M. Chaichian M., D Leites, J. Lukierski, New $N = 6 $ infinite-dimensional superalgebra with central extension, Phys. Lett. B, 225, № 4, 347–-351 (1989); https://doi.org/10.1016/0370-2693(89)90580-7. DOI: https://doi.org/10.1016/0370-2693(89)90580-7

29. F. Magri, A simple model of the integrable Hamiltonian equation, J. Math. Phys., 19, № 11, 1156–1162 (1978); https://doi.org/10.1063/1.523777. DOI: https://doi.org/10.1063/1.523777

30. P. Lax, Periodic solutions of the Korteweg–de Vries equation, Commun. Pure and Appl. Math., 28, № 1, 141–188 (1975); https://doi.org/10.1002/cpa3160280105. DOI: https://doi.org/10.1002/cpa.3160280105

31. A. G. Reiman, M. A. Semenov-Tyan-Shanskii, Hamiltonian structure of Kadomtsev–Petviashvili type equations, J. Math. Sci., 31, № 6, 3399–-3410 (1985); https://doi.org/10.1007/BF02107241. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02107241

32. D. A. Leites, Introduction to the theory of supermanifolds, Russ. Math. Surveys, 35, № 1, 1–64 (1980); https://doi.org/10.1070/RM1980v035n01ABEH001545. DOI: https://doi.org/10.1070/RM1980v035n01ABEH001545

33. F. A. Berezin, Introduction to superanalysis; English translated: Mathematical Physics and Applied Mathematics, vol. 9, D. Reidel Publ. Co., Dordrecht (1987). DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-017-1963-6_3

34. V. S. Vladimirov, I. V. Volovich, Superanalysis. II. Integral calculus, Theor. and Math. Phys., 60, № 2,743–765 (1984); https://doi.org/10.1007/BF01018974. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01018974

35. V. Ovsienko, C. Roger, Looped cotangent Virasoro algebra and non-linear integrable systems in dimension $2+1 $, Commun. Math. Phys., 273, № 2, 357–378 (2007); https://doi.org/10.1007/s00220-007-0237-z. DOI: https://doi.org/10.1007/s00220-007-0237-z

36. V. Ovsienko, Bi-Hamiltonian nature of the equation $u_{tx}=u_{xy}u_{y}-u_{yy}u_{x} $, Adv. Pure and Appl. Math., 1, № 1, 7–10 (2008); https://doi.org/10.1515/APAM.2010.002. DOI: https://doi.org/10.1515/apam.2010.002

37. A. Sergyeyev, B. M. Szablikowski, Central extensions of cotangent universal hierarchy: $(2+1) $-dimensional bi-Hamiltonian systems, Phys. Lett. A, 372, № 47, 7016–7023 (2008); https://doi.org/10.1016/j.physleta.2008.10.020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.physleta.2008.10.020

38. I. M. Gel'fand, D. B. Fuks, Cohomology of the Lie algebra of vector fields on the circle, Funct. Anal. and Appl., 2, № 4, 342–343 (1968); https://doi.org/10.1007/BF01075687. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01075687

39. Я. А. Прикарпатський, А. М. Самойленко, Класична задача М. А. Буля, її розв'язки Пфайфера–Сато і класичний принцип Лагранжа–Даламбера для інтегровних нелінійних рівнянь небесного типу, Укр. мат. журн., 69, № 12, 1652–1689 (2017); Переклад англійською: Ukr. Math. J., 69, № 12, 1924–1967 (2018); https://doi.org/10.1007/s11253-018-1480-5. DOI: https://doi.org/10.1007/s11253-018-1480-5

40. O. Ye. Hentosh, A. A. Balinsky, A. K. Prykarpatski, The generalized centrally extended Lie algebraic structures and related integrable heavenly type equations, Carpathian Math. Publ., 12, № 1, 242–264 (2020); https://doi.org/10.15330/cmp.12.1.242-264. DOI: https://doi.org/10.15330/cmp.12.1.242-264

41. О. Є. Гентош, Я. А. Прикарпатський, О. А. Балінський, А. К. Прикарпатський, Геометричні структури на орбітах петельних груп дифеоморфізмів та асоційовані інтегровні гамільтонові системи „небесного'' типу. II, Укр. мат. журн., 74, № 9, 1182–1200 (2022); https://doi.org/10.37863/umzh.v74i9.7234; Переклад англійською: Ukr. Math. J., 74, № 9, 1348–1368 (2023); https://doi.org/10.1007/s11253-023-02140-7. DOI: https://doi.org/10.37863/umzh.v74i9.7234

42. F. A. Berezin, The method of second quantization, Nauka, Moscow (1986) (in Russian).

43. L. E. Ballentine, Quantum mechanics: a modern development, World Scientific Publ. Co., Singapore (2014). DOI: https://doi.org/10.1142/9038

44. S. V. Manakov, P. M. Santini, Inverse scattering problem for vector fields and the Cauchy problem for the heavenly equation, Phys. Lett. A, 359, № 6, 613–619 (2006); https://doi.org/10.1016/j.physleta.2006.07.011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.physleta.2006.07.011

Published

06.11.2025

Issue

Section

Research articles

How to Cite

Hentosh, O. “Lax–Sato Integrable Dispersionless Systems on Supermanifolds Related to a Centrally Extended Generalization of the Loop Superconformal Lie Algebra”. Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal, vol. 77, no. 9, Nov. 2025, pp. 555–572, https://doi.org/10.3842/umzh.v77i9.7950.